質(zhì)子交換膜燃料電池用石墨-樹脂復(fù)合雙極板的研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的連續(xù)發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪音低、結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)電效率受負(fù)載變化影響小等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。雙極板是PEMFC的關(guān)鍵部件之一，其質(zhì)量的好壞直接決定電池堆輸出功率的大小和使用壽命的長短，其成本占電池堆總成本的40[％]左右，直接決定著PEMFC的商業(yè)化步伐。
　　 本論文針對現(xiàn)有PEMFC雙極板成本高的問題，采

2、用天然鱗片石墨和改性酚醛樹脂為主要原料，在開發(fā)高性能、低成本PEMFC雙極板材料和工藝方面進(jìn)行了一些探索和嘗試，并對所研制石墨/樹脂復(fù)合雙極板在PEMFC中的應(yīng)用性能進(jìn)行了初步研究。
　　 論文以電導(dǎo)率和抗折強(qiáng)度作為雙極板性能的主要衡量指標(biāo)，研究了樹脂配比、樹脂含量、石墨種類、石墨粒度、炭黑含量、溶劑比、原料混合方式和混合時(shí)間、成型壓力、保壓時(shí)間以及熱固化溫度等因素對石墨/樹脂復(fù)合雙極板結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究結(jié)果表明在酚醛樹脂體

3、系中加入適量環(huán)氧樹脂可顯著改善復(fù)合雙極板的力學(xué)性能。采用超聲分散技術(shù)可使復(fù)合材料各組分混合得更加均勻，極大地提高復(fù)合雙極板的綜合性能。制備石墨/樹脂復(fù)合雙極板的最佳工藝條件為：樹脂體系中環(huán)氧樹脂含量10wt[％]；樹脂含量15wt[％]；采用-200目天然鱗片石墨為主要導(dǎo)電骨料；炭黑含量4wt[％]；溶劑比1.0；超聲分散1h；成型壓力160～200MPa；保壓時(shí)間1～3min；固化溫度175℃。研究取得了極具開發(fā)前景的結(jié)果，可對石墨/

4、樹脂復(fù)合雙極板實(shí)現(xiàn)一步模壓成形，大大減少生產(chǎn)工序，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。所研制的石墨/樹脂復(fù)合雙極板的體積密度≥1.85g·cm-3，電導(dǎo)率≥120 S·cm-1，抗折強(qiáng)度≥38MPa，均能達(dá)到美國能源部(DOE)提出的標(biāo)準(zhǔn)，但阻氣性能還有待進(jìn)一步提高。模擬試驗(yàn)表明，復(fù)合雙極板在PEMFC運(yùn)行環(huán)境下性能較穩(wěn)定。以復(fù)合雙極板組裝的PEMFC單電池的開路電壓為0.9V左右，在電流密度為1.56A·cm-2時(shí)可獲得最大功率密度0.66W